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충전식 배터리에서 리튬 이온이 어떻게 이동하는지 밝히기

2022-05-09
기초과학연구원


휴대 전화, 노트북, 전기 자동차와 같은 대부분의 전자 장치는 리튬 충전식 배터리를 사용하지만 내부에서 무슨 일이 일어나는지는 완전히 이해되지 않습니다. 기초과학연구원(IBS) 분자분광동역학센터 연구진이 펨토초(1/1000000000000000초) 분해능으로 리튬이온의 초고속 역학을 실시간 관측하는 데 성공했다. 이러한 발견은 충전 및 방전 과정에서 어떤 일이 발생하는지 설명하는 데 도움이 됩니다. 이는 더 나은 성능을 갖춘 고급 배터리의 초석입니다. 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재된 이번 연구는 리튬 이온과 리튬 이온을 둘러싸고 전기를 전도하는 유기 분자인 전해질 간의 상호작용을 밝히고 리튬 이차 전지의 이온 확산에 관한 기존 이론이 완전히 옳지 않다는 결론을 내릴 수 있었다.

일반적인 상용 리튬 이차 전지는 배터리를 충전할 때 전해질에 용해된 리튬 이온이 배터리의 양극에서 음극으로 이동합니다. 그리고 배터리가 사용 중일 때는 반대 방향으로 이동합니다. 리튬 이온 이동도는 리튬 이차 전지의 성능을 결정하고 얼마나 빨리 충전 및 방전할 수 있는지를 결정합니다.

그러나 리튬 이온은 단독으로 이동하지 않고 한 극에서 다른 극으로의 이동을 용이하게 하는 전해질로 둘러싸여 있습니다. 현재 리튬 이차 전지의 전해질은 일반적으로 에틸렌 카보네이트(EC), 디메틸 카보네이트(DMC) 및 디에틸 카보네이트(DEC)를 동일한 농도로 혼합하여 구성됩니다. 리튬 이온은 주로 EC와 결합하여 소위 "용매화 껍질" 또는 "용매화 외피"를 형성하는 반면, DMC와 DEC는 "윤활제"와 같이 배터리 극 사이에서 이러한 껍질의 움직임을 향상시키는 것으로 여겨집니다. 그러나 대부분의 기존 연구들이 전해질과 리튬이온 사이의 결합의 정적 특성에 초점을 맞추었다면, 이번 연구는 결합의 동역학을 명확히 한다. 일련의 정지된 이미지가 차례로 빠르게 표시되어 움직임의 효과를 만드는 영화처럼 IBS 과학자들은 이러한 결합의 형성과 끊김을 분석하기 위해 빠른 샷을 찍었습니다. 그러나 영화는 일반적으로 초당 24개의 스틸 이미지로 촬영되고 표시되지만 이러한 측정 "샷"은 펨토초의 시간 간격으로 촬영되었습니다.


2차원 적외선 분광법이라는 도구 덕분에 팀은 리튬 이온이 DEC의 산소 원자에 어떻게 결합하는지 측정했으며 이러한 결합이 2~17피코초(1/1,000,000,000,000초) 만에 끊어지고 형성된다는 것을 발견했습니다. 시간 척도는 DMC와 비슷합니다. 이는 DMC와 DEC가 단순한 "윤활제" 이상이며 EC와 함께 용매화 쉘의 일부이며 리튬 이온을 배터리 극으로 수송하는 데 적극적인 역할을 할 수 있음을 의미합니다.

조민행 교수는 “EC는 전극 사이를 이동하는 과정에서 리튬 이온 주위에 단단한 껍질을 만드는 것으로 여겨졌으나, 이번 연구는 용매 껍질이 그렇게 단단하지 않고 이온 수송 과정에서 지속적으로 재구성된다는 것을 보여준다”고 설명했다. 그리고 "이러한 이유로 기존 리튬 이온 확산 이론의 수정이 불가피하다"고 결론을 내렸다.

연구팀은 리튬 이온 확산 과정의 새로운 이론을 정립하기 위해 후속 연구를 진행하고 있으며, 화학 반응을 관찰하고 그 위에서 필름화할 수 있는 새로운 초고속 레이저 분광 장비를 구축하고 있다. 재충전 전지의 전극.